轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性的影響

李 凡， 孫紅煒， 楊淑珂， 趙 維， 徐曉輝， 高 瑞， 路興波

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，山東省植物病毒學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100

玉米是我國(guó)目前種植面積最大的作物(中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒編輯委員會(huì)，2009)，每年生產(chǎn)的玉米中大約80%用于飼料行業(yè)。由于玉米自身的植酸酶活性較低且單胃動(dòng)物體內(nèi)缺乏內(nèi)源性植酸酶，使得飼料中植酸磷的利用率極低，大部分磷未被有效吸收就從糞便中排出，造成了磷資源的浪費(fèi)和對(duì)環(huán)境的污染(于彩虹等，2012)。由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所培育的轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米，是將來(lái)源于黑曲霉的植酸酶基因轉(zhuǎn)入玉米胚乳，從而得到能夠高效表達(dá)植酸酶并穩(wěn)定遺傳的轉(zhuǎn)基因玉米純合系(楊文竹，2008)。轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米有效提高了牲畜對(duì)飼料中磷的利用率，減少了糞便中磷的排泄量(張軍民等，2011； Wangetal.,2011)，減輕了環(huán)境污染。2004～2008年我國(guó)對(duì)轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米進(jìn)行了環(huán)境安全和食用安全評(píng)價(jià)，2009年轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米獲得生產(chǎn)應(yīng)用安全證書(shū)(李寧等，2011)，標(biāo)志著轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米從此正式跨入產(chǎn)業(yè)化階段。

目前，轉(zhuǎn)基因玉米已經(jīng)成為全球種植面積第二的轉(zhuǎn)基因作物(熊建文等，2011)。截至2013年，全球轉(zhuǎn)基因玉米種植面積達(dá)到5740萬(wàn)hm2，占全球玉米種植面積的32%(James，2014)。隨著轉(zhuǎn)基因玉米的大面積推廣應(yīng)用，其安全性問(wèn)題引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注(Bergelsonetal.,1998； Crawleyetal.,2001)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)玉米的環(huán)境安全問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。雖然植酸酶本身不會(huì)對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生危害，但是外來(lái)基因的插入有可能導(dǎo)致作物生理特性和次生物質(zhì)的變化，影響到生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性(劉慧，2005； 吳研，2006)。因此，研究轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的環(huán)境安全性具有重要意義。目前，有關(guān)轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的環(huán)境安全性，尤其是對(duì)農(nóng)田節(jié)肢動(dòng)物群落影響的報(bào)道較少。本研究參照轉(zhuǎn)基因玉米環(huán)境安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)范(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部，2004)，通過(guò)田間定期調(diào)查與分析，探討轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性的影響，以期為轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米大規(guī)模釋放的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種：轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005及其非轉(zhuǎn)基因親本玉米蠡玉35，由北京奧瑞金種業(yè)股份有限公司提供；當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種為鄭單958。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在山東省東平縣州城街道辦事處小東門(mén)村，位于東經(jīng)116°19′11.88″、北緯35°54′07.11″，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.7 ℃，年平均降水量680 mm，年無(wú)霜期200 d左右。試驗(yàn)田地勢(shì)平坦，土壤為中性壤土，肥力中等，前茬作物為蔬菜。四周種植蔬菜，周?chē)?000 m以?xún)?nèi)未種植生育期相同的玉米。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：處理1，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005；處理2，親本玉米蠡玉35；處理3，當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種鄭單958。每個(gè)處理3次重復(fù)，共9個(gè)小區(qū)，隨機(jī)排列，小區(qū)面積為200 m2。

于2011年7月10日播種，人工撒播，播種深度6 cm，播種量45 kg·hm-2。除全生育期不噴施殺蟲(chóng)劑外，其余按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)栽培模式進(jìn)行管理。

1.4 調(diào)查方法

從定苗后10 d到成熟，每7 d調(diào)查1次，每個(gè)小區(qū)采用對(duì)角線5點(diǎn)取樣，每點(diǎn)調(diào)查相鄰的20株玉米。記錄整株玉米及其地面各種節(jié)肢動(dòng)物的種類(lèi)和數(shù)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計(jì)分析3個(gè)處理在各個(gè)調(diào)查時(shí)期不同群落(節(jié)肢動(dòng)物群落、害蟲(chóng)亞群落和天敵亞群落)的結(jié)構(gòu)與組成，計(jì)算3個(gè)處理各時(shí)期各群落的多樣性指數(shù)(H)、均勻性指數(shù)(J)和優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)(C)(中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部，2008)。

J=H/lnS

式中,Pi=Ni/N，Ni為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)，N為群落中所有物種的總個(gè)體數(shù)，S為群落中的物種數(shù)。

利用EXCEL 2003和DPS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan′s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性的影響分析

調(diào)查結(jié)果顯示，在玉米整個(gè)生長(zhǎng)期，田間節(jié)肢動(dòng)物主要包含蚜蟲(chóng)科、螟蛾科、葉蟬科、盲蝽科、長(zhǎng)蝽科、花蝽科、薊馬科、夜蛾科、瓢甲科、草蛉科等21個(gè)科的33種昆蟲(chóng)及4種蜘蛛。從節(jié)肢動(dòng)物的發(fā)生種類(lèi)和數(shù)量來(lái)看，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005與親本玉米蠡玉35之間沒(méi)有明顯差異。

在玉米生長(zhǎng)期，3個(gè)處理的田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)動(dòng)態(tài)均呈現(xiàn)先下降后趨于平緩的態(tài)勢(shì)，而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)則是先上升后趨于平緩(圖1)。在玉米生長(zhǎng)早期(7月下旬)，田間節(jié)肢動(dòng)物種類(lèi)較多，多樣性指數(shù)較高，均達(dá)到0.6以上；均勻性指數(shù)也較高，均在0.5左右；而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)較低，均在0.6左右。至8月中下旬，田間節(jié)肢動(dòng)物種類(lèi)逐漸減少，多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)隨之降低，而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)則隨之上升。進(jìn)入9月份后，節(jié)肢動(dòng)物種類(lèi)趨于穩(wěn)定，3個(gè)指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化也趨于平穩(wěn)。差異顯著性分析結(jié)果表明，整個(gè)調(diào)查期間，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005與親本玉米蠡玉35、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種鄭單958相比，各指數(shù)均不存在顯著性差異，說(shuō)明轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性沒(méi)有明顯影響。

圖1 玉米田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 The dynamics of biodiversity of arthropod community in cornfield

2.2 對(duì)田間天敵亞群落多樣性的影響分析

由圖2可以看出，3個(gè)處理的田間天敵亞群落多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)動(dòng)態(tài)變化均呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)則剛好相反，但3個(gè)指數(shù)的總體變化幅度均較小，這與田間調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)的整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)天敵種群變化較小相一致。差異顯著性分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005與親本玉米蠡玉35、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種鄭單958相比，各指數(shù)差異均不顯著，說(shuō)明轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005對(duì)田間天敵亞群落多樣性沒(méi)有明顯影響。

2.3 對(duì)田間害蟲(chóng)亞群落多樣性的影響分析

田間調(diào)查結(jié)果顯示，7月份害蟲(chóng)種類(lèi)和數(shù)量較多，進(jìn)入8月后逐漸減少，9月份則變化較小。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，3個(gè)玉米品種田間害蟲(chóng)亞群落的多樣性指數(shù)和均勻性指數(shù)動(dòng)態(tài)均表現(xiàn)為先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，而優(yōu)勢(shì)集中性指數(shù)則呈先上升后平穩(wěn)態(tài)勢(shì)，3個(gè)指數(shù)均在8月底到達(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)(圖3)。差異顯著性分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005與親本玉米蠡玉35、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種鄭單958相比，各指數(shù)均不存在顯著性差異，說(shuō)明轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005對(duì)田間害蟲(chóng)亞群落多樣性沒(méi)有明顯影響。

圖2 玉米田間天敵亞群落多樣性的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The dynamics of biodiversity of natural enemy sub-community in cornfield

3 討論

近期的研究表明，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的田間種植對(duì)步甲物種多樣性及常見(jiàn)物種沒(méi)有明顯影響(趙彩云等，2013)，也未對(duì)土壤線蟲(chóng)的生態(tài)指標(biāo)和群落結(jié)構(gòu)造成直接影響(郭維維等，2014)。本實(shí)驗(yàn)室早期的報(bào)道也指出，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的短期種植，未對(duì)田間主要害蟲(chóng)和天敵種群動(dòng)態(tài)產(chǎn)生顯著影響(李凡等，2013)。

本試驗(yàn)主要進(jìn)行了7次田間調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，害蟲(chóng)主要有蚜蟲(chóng)Aphidoidea、玉米螟Ostrinianubilalis、葉蟬Cicadellidae、盲蝽Miridae、薊馬Thripinae、夜蛾Noctuidae等；天敵主要有各種瓢蟲(chóng)、草蛉和蜘蛛等，其中瓢蟲(chóng)主要是龜紋瓢蟲(chóng)Propylaeajaponica(Thunberg)和異色瓢蟲(chóng)HarmoniaaxyridisPallas等，草蛉以中華草蛉ChrysoperlasinicaTjeder 為主，蜘蛛主要是草間小黑蛛Erigonidiumgraminicoa、肖蛸Tetragnatha和狼蛛Lycosidae等。轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005田間主要節(jié)肢動(dòng)物的發(fā)生種類(lèi)、數(shù)量與親本玉米蠡玉35之間沒(méi)有明顯差異。

群落多樣性、均勻度及優(yōu)勢(shì)集中性是群落組織水平的3個(gè)指標(biāo)。一般而言，多樣性指數(shù)和均勻度值較高而優(yōu)勢(shì)集中性值較低的群落，其穩(wěn)定性較好(劉慧，2005)。本研究表明，轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米10TPY005與親本玉米蠡玉35相比，各群落組織水平相似，各指數(shù)均不存在顯著性差異，說(shuō)明轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米的短期種植，對(duì)田間節(jié)肢動(dòng)物群落多樣性沒(méi)有明顯影響，這與Bt玉米的研究結(jié)果(劉慧，2005)基本一致。

轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米即將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，但目前對(duì)其安全性的研究還太少，尤其需要加強(qiáng)研究其長(zhǎng)期種植對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的影響，以為今后轉(zhuǎn)植酸酶基因玉米商業(yè)化種植過(guò)程中的安全監(jiān)管提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。

圖3 玉米田間害蟲(chóng)亞群落多樣性的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamics of biodiversity of pest sub-community in cornfield

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